伺服電機的剛性及慣量是怎么回事,？伺服電機控制轉(zhuǎn)速與干擾措施,！

如果你不要求定位快,，只要準(zhǔn),，在阻力不大的時候,，剛性低,，也可以做到定位準(zhǔn)，只不過定位時間長,。因為剛性低的話定位慢,，在要求響應(yīng)快，定位時間短的情況下,，就會有定位不準(zhǔn)的錯覺,。 而慣量描述的是物體運動的慣性，轉(zhuǎn)動慣量是物體繞軸轉(zhuǎn)動慣性的度量,。轉(zhuǎn)動慣量只跟轉(zhuǎn)動半徑和物體質(zhì)量有關(guān),。一般負載慣量超過電機轉(zhuǎn)子慣量的10倍，可以認為慣量較大,。

要說剛性,，先說剛度。

?剛度是指材料或結(jié)構(gòu)在受力時抵抗彈性變形的能力,，是材料或結(jié)構(gòu)彈性變形難易程度的表征,。材料的剛度通常用彈性模量E來衡量。在宏觀彈性范圍內(nèi),，剛度是零件荷載與位移成正比的比例系數(shù),，即引起單位位移所需的力。它的倒數(shù)稱為柔度,，即單位力引起的位移,。剛度可分為靜剛度和動剛度。

  一個結(jié)構(gòu)的剛度（k）是指彈性體抵抗變形拉伸的能力。

 k=P/δ

 P是作用于結(jié)構(gòu)的恒力,，δ是由于力而產(chǎn)生的形變,。

 轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動剛度（k）為：

 k=M/θ

 其中，M為施加的力矩,，θ為旋轉(zhuǎn)角度,。

舉個例子,，我們知道鋼管比較堅硬，一般受外力形變小,，而橡皮筋比較軟,，受到同等力產(chǎn)生的形變就比較大，那我們就說鋼管的剛性強,，橡皮筋的剛性弱,，或者說其柔性強。

在伺服電機的應(yīng)用中,，用聯(lián)軸器來連接電機和負載,，就是典型的剛性連接；而用同步帶或者皮帶來連接電機和負載,，就是典型的柔性連接,。

電機剛性就是電機軸抗外界力矩干擾的能力，而我們可以在伺服控制器調(diào)節(jié)電機的剛性,。

伺服電機的機械剛度跟它的響應(yīng)速度有關(guān),。一般剛性越高其響應(yīng)速度也越高，但是調(diào)太高的話,，很容易讓電機產(chǎn)生機械共振,。所以，在一般的伺服放大器參數(shù)里面都有手動調(diào)整響應(yīng)頻率的選項,，要根據(jù)機械的共振點來調(diào)整,，需要時間和經(jīng)驗（其實就是調(diào)增益參數(shù)）。

在伺服系統(tǒng)位置模式下,，施加力讓電機偏轉(zhuǎn),，如果用力較大且偏轉(zhuǎn)角度較小，那么就認為伺服系統(tǒng)剛性強,，反之則認為伺服剛性弱,。注意這里我說的剛性，其實更接近響應(yīng)速度這個概念,。從控制器角度看的話,，剛性其實是速度環(huán)、位置環(huán)和時間積分常數(shù)組合成的一個參數(shù),，它的大小決定機械的一個響應(yīng)速度,。

 像松下和三菱伺服都有自動增益功能,，通常不需要特別去調(diào)整,。國產(chǎn)的一些伺服，只能夠手工調(diào)整,。

其實如果你不要求定位快,，只要準(zhǔn),，在阻力不大的時候，剛性低,，也可以做到定位準(zhǔn),，只不過定位時間長。因為剛性低的話定位慢,，在要求響應(yīng)快,，定位時間短的情況下，就會有定位不準(zhǔn)的錯覺,。

而慣量描述的是物體運動的慣性,，轉(zhuǎn)動慣量是物體繞軸轉(zhuǎn)動慣性的度量。轉(zhuǎn)動慣量只跟轉(zhuǎn)動半徑和物體質(zhì)量有關(guān),。一般負載慣量超過電機轉(zhuǎn)子慣量的10倍,，可以認為慣量較大。

 導(dǎo)軌和絲杠的轉(zhuǎn)動慣量對伺服電機傳動系統(tǒng)的剛性影響很大,，固定增益下,，轉(zhuǎn)動慣量越大，剛性越大,，越易引起電機抖動,；轉(zhuǎn)動慣量越小，剛性越小,，電機越不易抖動,。可通過更換較小直徑的導(dǎo)軌和絲桿減小轉(zhuǎn)動慣量從而減小負載慣量來達到電機不抖動,。

 我們知道通常在伺服系統(tǒng)選型時,，除考慮電機的扭矩和額定速度等等參數(shù)外，我們還需要先計算得知機械系統(tǒng)換算到電機軸的慣量,，再根據(jù)機械的實際動作要求及加工件質(zhì)量要求來具體選擇具有合適慣量大小的電機,。

 在調(diào)試時（手動模式下），正確設(shè)定慣量比參數(shù)是充分發(fā)揮機械及伺服系統(tǒng)最佳效能的前提,。

那到底什么是“慣量匹配”呢,？

 其實也不難理解，根據(jù)牛二定律：

進給系統(tǒng)所需力矩=系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量J×角加速度θ

角加速度θ影響系統(tǒng)的動態(tài)特性,，θ越小則由控制器發(fā)出指令到系統(tǒng)執(zhí)行完畢的時間越長,，系統(tǒng)反應(yīng)越慢。如果θ變化,，則系統(tǒng)反應(yīng)將忽快忽慢,，影響加工精度。

伺服電機選定后最大輸出值不變，如果希望θ的變化小,，則J就應(yīng)該盡量小,。

而上面的，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量J＝伺服電機的旋轉(zhuǎn)慣性動量JM＋電機軸換算的負載慣性動量JL,。

負載慣量JL由工作臺及上面裝的夾具和工件,、螺桿、聯(lián)軸器等直線和旋轉(zhuǎn)運動件的慣量折合到馬達軸上的慣量組成,。JM為伺服電機轉(zhuǎn)子慣量,，伺服電機選定后，此值就為定值,，而JL則隨工件等負載改變而變化,。如果希望J變化率小些，則最好使JL所占比例小些,。

 這就是通俗意義上的“慣量匹配”,。

一般來說，小慣量的電機制動性能好,，啟動,，加速停止的反應(yīng)很快，高速往復(fù)性好,，適合于一些輕負載,，高速定位的場合。中,、大慣量的電機適用大負載,、平穩(wěn)要求比較高的場合，如一些圓周運動機構(gòu)和一些機床行業(yè),。

 所以伺服電機剛性過大,，剛性不足，一般是要調(diào)控制器增益改變系統(tǒng)響應(yīng)了,。慣量過大,，慣量不足，說的是負載的慣量變化和伺服電機慣量的一個相對的比較,。

伺服電機控制轉(zhuǎn)速與干擾措施,！

伺服電機可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確,，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象,。伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應(yīng),。

在自動控制系統(tǒng)中,，用作執(zhí)行元件,，且具有機電時間常數(shù)小、線性度高,、始動電壓等特性,，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出,。分為直流和交流伺服電動機兩大類,，其主要特點是，當(dāng)信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象,，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降,。伺服電機作為自動化工廠的動力肌肉，我們在工控設(shè)計與維護當(dāng)中是無法避免的,，那么我們今天就伺服的轉(zhuǎn)速控制與抗干擾措施進行一下總結(jié)學(xué)習(xí),。

我們常用的伺服電機分很多種，選型也不是一件簡單的事,，每一種伺服都熟練,，對于我們的學(xué)習(xí)是有非常大壓力的，我們只能采取的措施是,，選用自己平時工作中能遇到最多的型號來學(xué)習(xí),，順便了解市場上使用比較多的幾種型號品牌。伺服電機的轉(zhuǎn)速從一千,，一千五,，三千不同，我們按使用最多的3000RPM交流伺服來代表,。我們在實際使用當(dāng)中,，選擇了一臺或者正在使用的一臺伺服是3000RPM，我們需要的轉(zhuǎn)速是0-3000變速,，那么我們可以通過哪些手段來改變當(dāng)前伺服轉(zhuǎn)速,。伺服速度的調(diào)整需要看我們是使用什么方式來控制，以及控制方式的選擇,，我們是使用脈沖控制轉(zhuǎn)速,，模擬量控制轉(zhuǎn)速還是直接驅(qū)動器內(nèi)部設(shè)定控制調(diào)整速度，我們對應(yīng)的方式也是不一樣的,。我們對應(yīng)三種不同的控制方式來總結(jié)一下速度改變,。

1、轉(zhuǎn)矩控制,，轉(zhuǎn)速是自由的(隨負載變)轉(zhuǎn)矩控制是我們平時使用比較多的一種控制方式,，我們通過外部模擬量或直接地址賦值來設(shè)定輸出轉(zhuǎn)矩的大小，那么對應(yīng)的速度我們是不一定的,，因為設(shè)備老化摩擦系數(shù)的變化,，負載的變化,，都會影響到速度的輸出，這種使用情況下我們基本不會需要調(diào)整速度,，因為是自動調(diào)節(jié),，我們需要的是系統(tǒng)的穩(wěn)定度，持續(xù)長時間的轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定,?？梢酝ㄟ^即時的改變模擬量的設(shè)定來改變設(shè)定的力矩大小，也可通過通訊方式改變對應(yīng)的地址的數(shù)值來實現(xiàn),。應(yīng)用主要在對材質(zhì)的受力有嚴(yán)格要求的纏繞和放卷的裝置中,，例如繞線裝置或拉光纖設(shè)備，使用伺服的目的是防止纏繞物料的變化改變受力,。

2,、位置控制，精準(zhǔn)定位,，轉(zhuǎn)速與扭矩均可嚴(yán)格控制位置控制模式一般是通過外部輸入的脈沖的頻率來確定轉(zhuǎn)動速度的大小,，通過脈沖的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)動的角度，也有些伺服可以通過通訊方式直接對速度和位移進行賦值,。由于位置模式可以對速度和位置都有很嚴(yán)格的控制,，所以一般應(yīng)用于定位裝置。應(yīng)用領(lǐng)域如數(shù)控機床,、印刷機械等等,。我們在使用當(dāng)中需要了解PLC或者其他發(fā)送脈沖額定頻率是多少?20KHz，100KHz,，200KHz,，實際需要移動的距離，對應(yīng)伺服選定的脈沖當(dāng)量,，我們就可以計算出伺服移動到指定位置的上限運行速度和時間,。伺服上線速度是我們必須計算出來的，只有選擇合適的伺服型號才能滿足現(xiàn)場的使用要求,。伺服上線運行速度=指令脈沖額定頻率×伺服上限速度伺服控制器一般帶有編碼器,，并可接收編碼器接收反饋脈沖，在速度環(huán)上設(shè)定編碼器反饋脈沖頻率,，設(shè)定編碼器反饋脈沖頻率=編碼器周反饋脈沖數(shù)×伺服電機設(shè)定速度(r/s)又因為指令脈沖頻率=編碼器反饋脈沖頻率/電子齒輪比,，所以也可以設(shè)定“指令脈沖頻率”，來設(shè)定伺服電機速度,。

3,、速度模式，轉(zhuǎn)矩是自由的(隨負載變)通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進行轉(zhuǎn)動速度的控制,，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時速度模式也可以進行定位,，但必須把電機的位置信號或直接負載的位置信號給上位反饋以做運算用,。速度模式相對位置模式相對應(yīng)，位置信號存在誤差,，位置模式的信號由終端負載檢測裝置提供,，減少中間傳動誤差，相對增加了整個系統(tǒng)的定位精度,。我們速度控制模式主要采用的是0-10電壓信號來控制電機轉(zhuǎn)速,，模擬量幅值的大小決定了給定速度的大小，正負決定電機應(yīng)關(guān)系取決于速度指令增益,，在負載慣量大的場合使用速度模式,，我們需要設(shè)定速度環(huán)增益,，讓系統(tǒng)響應(yīng)更迅速,。調(diào)整時需要兼顧設(shè)備的振動，不能因為響應(yīng)速度而產(chǎn)生系統(tǒng)振動,。我們使用速度控制時,，還需注意加減速的設(shè)定，如果沒有閉環(huán)控制時,，我們需要通過零鉗位或比例控制使得電機完全停止,。用上位機作位置閉環(huán)時，模擬量不能自動調(diào)零,。通過控制系統(tǒng)給伺服驅(qū)動器發(fā)送+/-10V的模擬電壓指令控制速度,，其優(yōu)點是伺服響應(yīng)快，但缺點是對現(xiàn)場干擾較敏感,，調(diào)試稍復(fù)雜,。速度控制的應(yīng)用場合相當(dāng)廣：需要快速響座的連續(xù)調(diào)速系統(tǒng);由上位閉環(huán)的定位系統(tǒng);需要多段速度進行快速切換的系統(tǒng)。在伺服系統(tǒng)的使用和調(diào)試過程中,，會不時發(fā)生各種意外的干擾,，特別是對于發(fā)送脈沖的伺服電機的應(yīng)用。

下面將從幾個方面對干擾的類型和產(chǎn)生方式進行分析,，以達到有針對性的抗干擾目的,，希望大家共同學(xué)習(xí)和研究。

1,、來自電源的干擾現(xiàn)場使用條件會有各種限制,，我們通常會遇到很多復(fù)雜情形，我們需要做到習(xí)慣性避免,，把問題原因盡可能的規(guī)避,。很多情況下，我們會通過增加穩(wěn)壓器,，隔離變壓器等設(shè)備,，給旋轉(zhuǎn)編碼器的供電模塊和運動控制器加濾波器,驅(qū)動器改接DC電抗器,驅(qū)動器位置低通濾波時間和載波率參數(shù)更改,，減少電源引入引起的干擾，避免伺服控制系統(tǒng)故障,。伺服系統(tǒng)動力線應(yīng)單獨走線槽,，縮短驅(qū)動器與電機動力線距離等等手段，避免干擾控制線,，引起驅(qū)動器故障,。

2、來自接地系統(tǒng)混亂的干擾接地是提高電子設(shè)備抗干擾的有效手段,，能抑制設(shè)備向外發(fā)出干擾,，也避免受外部干擾影響，但是錯誤的接地反而會引入嚴(yán)重的干擾信號,，使系統(tǒng)無法正常工作,。控制系統(tǒng)的地線一般包括系統(tǒng)地,、屏蔽地,、交流地和保護地等。如果接地系統(tǒng)混亂,，對伺服系統(tǒng)的干擾主要是各個接地點電位分布不均,，電纜屏蔽段兩端，接地線,，大地,，其他設(shè)備接地點等不同接地點間存在電位差，引起地環(huán)路電流,，影響系統(tǒng)正常工作,。解決此類干擾的關(guān)鍵就在于分清接地方式，為系統(tǒng)提供良好的接地性能,。伺服做好的接地線注意環(huán)境電磁兼容,，對高頻電磁波、射頻裝置等加以屏蔽;電源噪聲干擾源要加以抑制,、剔除,，比如同一個電源變壓器上或者配電母線上不要有諸如高頻，中頻,，大功率的整流和逆變用電裝置等......介紹一個非常規(guī)接地處理,，因為配電線路不可避免的存在大干擾源，驅(qū)動器單獨安裝在柜子里,，安裝板使用非金屬板,，把與伺服驅(qū)動器有關(guān)的地線都懸浮，其他的測量系統(tǒng)可靠接地,，這樣可能要好一點,。

3,、來自系統(tǒng)內(nèi)部的干擾主要由系統(tǒng)內(nèi)部元器件及電路間的相互電磁輻射產(chǎn)生，如邏輯電路相互輻射,、模擬地與邏輯地的相互影響及元器件間的相互不匹配使用等,。信號線及控制線應(yīng)選用屏蔽線，這樣對防止干擾有利,。當(dāng)線路較長時,，例如距離超過100m，導(dǎo)線截面應(yīng)放大些,。信號線及控制線最好穿管放置,，避免與動力線相互干擾。傳輸信號以選用電流信號為主,，電流信號的衰減與抗干擾相對較好,。實際應(yīng)用中傳感器輸出多是電壓信號，可以通過變換器轉(zhuǎn)換,。對模擬弱電路的直流電源進行濾波,，可以加兩個0.01uF(630V)電容,，一端接在電源正負極上,，另一端接到機殼上再和大地相連。很有效果,。伺服發(fā)出吱吱聲時,，輸出高頻諧波干擾，可以在伺服驅(qū)動母線電源的P,、N端分別接個0.1u/630v的CBB電容到機殼上試下,。板卡端控制線的屏蔽層接板卡的0V，驅(qū)動器端不接,，只需將屏蔽層撥出一段,，捻成一股暴露在外面。使用電磁EMI濾波器,，控制線上焊抗干擾電阻,，或者電機動力線上接磁環(huán)。實際現(xiàn)場的工況條件要復(fù)雜的多,，只能是具體問題具體分析,，但是最終都會有一個圓滿的解法，只不過是過程經(jīng)歷不同罷了!